JP5300726B2 - トランスを駆動するための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、トランスを駆動するための方法と装置に関するものであり、このトランスはとりわけ、一次巻線と二次巻線を備えるトランスコアを有し、（単相）溶接用中間周波トランスである。本発明はさらに、相応のコンピュータプログラムならびに相応のコンピュータプログラム製品に関する。

以下では実質的に溶接用中間周波トランスについて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

中間周波トランスは、昔から溶接方法に使用されている。中間周波トランスにはインバータから、数ｋＨｚ、数百Ｖの領域の矩形交流電圧が給電される。トランスはその二次巻線に高電流の低電圧を出力し、この電圧は引き続き整流され、溶接プロセスに使用される。中間周波トランスを駆動する高周波によって効率的なエネルギ変換が可能となり、これにより比較的小型で軽量のトランスを使用することができる。とりわけ駆動時にはヒステリシス作用ないし飽和作用ならびに電流ピークが発生し、これらはエネルギ変換に影響し、かつ構成部材を損傷することがある。

電流ピークは、ダイオードをペアで接続することによって緩和できることが公知である。そのためには特別に選択されたダイオードを使用しなければならず、このことは製造コストおよび修理コストの上昇を引き起こす。

同様に、飽和作用をトランス制御部の特別のプログラミングによって、またはトランスを駆動する装置によって緩和することも公知である。この解決手段の欠点は、この種のプログラミングは特定のトランス形式にしか使用することができず、したがって種々異なる形式のトランスを改善すべき場合には高いプログラミングコストが必要なことである。

したがって本発明の課題は、前記の欠点を備えておらず、とりわけ入力電流の立上がり時間を短縮し、トランスコアの磁気的飽和ならびに出力電流の電流ピークを緩和する、トランスの駆動方法ならびに装置を提供することである。

この課題は、独立請求項の特徴的構成を備える、トランスの駆動方法ならびに駆動装置によって解決される。本発明の別の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

以下に挙げる特徴および利点はとくに明示的に記載しない限り、本発明の方法と本発明の装置の両方に関連するものである。

一次巻線と、二次回路に接続された二次巻線を備えるトランスコアを有するトランス、とりわけ（単相）中間周波溶接用トランスの駆動方法は、トランスコアの磁束密度を上側磁束密度閾値と、下側磁束密度閾値との間で制御し、二次回路の負荷電流を上側負荷電流閾値と下側負荷電流閾値との間で制御する。制御の際に有利には、磁束密度実際値ないしは負荷電流実際値が制御量として検出され、案内量としてのそれぞれの目標値に適合される。とりわけ前記方法の制御は、トランスが溶接過程で駆動される間、反復される。本発明の解決手段により、トランスの能力を格段に改善することができる。とりわけ飽和作用と電流ピークが回避され、負荷電流の立上がり時間が短縮される。この解決手段は、簡単に既存のシステムに実現することができる。新たに開発されるトランスは、能力が改善されているので小型化することができ、これにより重量とコストが低減される。

有利には、上側磁束密度閾値と下側磁束密度閾値との間の、トランスコアでの磁束密度の制御は、第１の電圧と第２の電圧をトランスの一次巻線に交互に印加することによって行われる。これにより簡単に、トランスコアの磁束密度を制御することができる。とりわけ中間周波トランスでは、別の部分の磁束密度が、相応の極性で印加される矩形電圧の時間経過に比例する。例えば正の直流電圧を印加することにより磁束密度は増強され、負の直流電圧を印加することにより緩和することができる。

同様に有利には、上側負荷電流閾値と下側負荷電流閾値との間の、二次回路の負荷電流の制御は、第３の電圧と第４の電圧をトランスの一次巻線に交互に印加することによって行われる。とりわけ整流器が後置接続された中間周波トランスでは、二次回路の整流された負荷電流が、電圧がトランスに印加されている間は上昇する。これに対して電圧がトランスに印加されないと性牛された負荷電流は低下する。このようにして、２つの電圧を単純に切り替えることにより、負荷電流の簡単な制御が可能である。

有利には第１の電圧と第２の電圧は、実質的に絶対値が等しく、極性が反対の直流電圧である。第３の電圧は実質的にゼロ電圧であり、第４の電圧は第１または第２の電圧である。このようにしてこの方法はとくに簡単に中間周波トランスの駆動に使用することができる。なぜなら実質的に３つの電圧、ないしは正の電圧と負の電圧と無電圧が印加され、このことは簡単に構成されたスイッチ手段を設けることによって可能だからである。

本発明の装置は、本発明の方法を実施するための手段を有する。本発明の、一次巻線と、二次回路に接続された二次巻線を備えるトランスコアを有するトランス、とりわけ（単相）中間周波溶接用トランスの駆動装置は、トランスコアの磁束密度のための第１の検出装置と、二次回路の負荷電流のための第２の検出装置と、検出された磁束密度を少なくとも１つの磁束密度閾値と比較する第１の比較装置と、検出された負荷電流を少なくとも１つの負荷電流閾値と比較する第２の比較装置とを有する。さらに本発明の装置は、スイッチ手段を比較に基づいて制御する制御装置を有する。ここでスイッチ手段は、電圧源用の第１の端子、トランスの一次巻線用の第２の端子を有し、第１，第２，第３または第４の電圧をトランスの一次巻線に印加するように構成されている。検出装置とは、とりわけ測定装置、例えばセンサおよび測定機器であると理解されたい。同様に計算ユニットを検出装置として設けることができ、この計算ユニットは例えば磁束密度および／または負荷電流を、印加される電圧の時間経過ならびに別のパラメータから計算または推定する。この種の装置はとりわけ簡単に作製され、構成部材数が比較的少ないため、実際にはとくに頑強で信頼性のあることが判明している。その他の点は、本発明の方法に関連する利点を参照されたい。

有利にはこの装置は、スイッチ手段および／または電圧源を有する。

有利には第１の電圧と第２の電圧は、実質的に絶対値が等しく、極性が反対の直流電圧である。第３の電圧は実質的にゼロ電圧であり、第４の電圧は第１または第２の電圧である。ここでも、方法と関連してすでに述べた利点が当てはまる。とりわけ直流電圧源が装置ないしはスイッチ手段と接続されており、トランスが本発明の方法による３つの電圧（プラス、マイナス、そしてゼロ）により駆動されれば十分である。

本発明の装置が、第１の直流電圧を形成するための直流電圧源を有し、これがスイッチ手段に接続されていると有利である。この種の装置は通常、溶接装置として構成することができ、直流電圧源は例えば電源から給電され、制御される整流器として構成されている。スイッチ手段はこの実施例では、制御されるインバータに相応する。このようにして、本発明の解決手段の利点をすべて有する溶接装置を製作することができる。

本発明によるコンピュータプログラムには、このプログラムがコンピュータまたは相応の計算ユニット例えば本発明による計算ユニットで実行されたとき、本発明による方法の１つを実施するためのプログラムコード手段が含まれている。

本発明のコンピュータプログラム製品ないしマイクロプロセッサプログラム製品は、機械読出し可能データ担体、またはコンピュータ読出し可能データ担体に記憶されており、プログラム製品がコンピュータ、マイクロプロセッサ、または相応の計算ユニットで実行されると本発明の方法を実施する。適切なデータ担体は例えばフロッピーディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、EEPROM、CD-ROM等である。コンピュータネットワーク（インターネット、イントラネット等）、または車両ネットワーク（Bodyバス、Infotainmentバス等）、またはエアインタフェース（移動無線）を介したプログラムのダウンロードも可能である。

本発明のさらなる利点および実施形態は以下の説明および添付の図面から明らかになる。

前述の特徴、および以下さらに説明する特徴はそれぞれ記載した組み合わせだけでなく、別の組み合わせまたは単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができると解される。

本発明は実施例に基づいて図面に概略的に示されており、以下において図面を参照しつつ詳しく説明される。

中間周波溶接用トランスの概略図である。 本発明の装置の有利な実施例の概略図である。 一次巻線に印加される電圧、トランスコアの磁束密度、および二次回路の負荷電流の関係を概略的に示す線図である。

図１には、中間周波溶接用トランスが概略的に、全体で参照符合１００により示されている。装置１００は種々の構成部材に分けられている。この装置１００は、一次巻線１１０と二次巻線１２０有し、これらはトランス１３０を介して接続されている。トランス１３０の巻線数Ｎ１の一次巻線１３２は一次回路１１０に接続され、トランス１３０の巻線数Ｎ２＋Ｎ３の二次巻線１３３は二次回路１２０に接続されている。トランス１３０はさらにトランスコア１３１を有する。

二次回路１２０で出力領域には１４０が付されている。この出力領域は溶接負荷を表す。図１には種々異なる抵抗がＲにより、インダクタンスがＬにより、ダイオードがＤにより示されており、電流はｉにより、当業者には周知のように図示されている。一次回路１１０にはさらに電圧源ｕが設けられており、この電圧源は一次回路に高周波交流電圧を給電する。

二次回路１２０は部分的に整流器として構成されており、整流された負荷電流ｉｂｒが二次巻線１３３の中間タップと接続点１２１との間を流れる。

トランスの入力側での矩形電圧は、三角形の磁化電流を引き起こし、この磁化電流は二次電流にほとんど依存しない。この磁化電流は磁束ないし磁束密度にほぼ比例する。トランスコアの磁束密度は入力電圧によって決定される。

図２には、本発明による装置の実施例が示されており、この装置全体には参照符号２００が付されている。この装置２００は、電源から給電される整流器として構成された直流電圧源２０１を有し、この直流電圧源は直流電圧ＵＤＣを出力する。さらにこの装置２００は、トランジスタＳ１からＳ４として構成されたスイッチ手段を有する。このスイッチ手段は、相応の回路によってトランス１３０の一次巻線１３２に、値＋ＵＤＣ、−ＵＤＣ、および０Ｖの電圧ｕを供給することができる。図示の実施形態で電圧ｕの図示の極性で、電圧＋ＵＤＣを印加するためにトランジスタないしスイッチＳ１とＳ４は閉成され、電圧−ＵＤＣを印加するためにスイッチＳ２とＳ３は閉成される。電圧０Ｖを印加するために４つすべてのスイッチＳ１からＳ４は開放される。スイッチを損傷しないためには、スイッチＳ１とＳ３、ならびにスイッチＳ２とＳ４が同時に開放しないように注意しなければならない。Ｄ１からＤ４により示されたダイオードは電流案内経路を形成し、すべてのスイッチＳ１からＳ４が開放されるときに電圧ピークを回避する。この経路では、トランスに存在するエネルギが電圧源に流れることができる。例えばスイッチＳ１とＳ４が開放すると、電流は一次巻線１３２を通って流れる。スイッチが閉成されると、相応のダイオードが存在しなければ高電圧ピークが発生し、この高電圧ピークはトランジスタを損傷することがある。ダイオードが存在していれば、ダイオードＤ３とＤ２を介して電流が流れることができる。

装置２００は、マイクロプロセッサ２０２として構成された制御装置を、スイッチＳ１からＳ４の制御のために有する。マイクロプロセッサ２０２はこのために出力端を有し、この出力端は図示しない線路を介してスイッチＳ１からＳ４と接続されている。装置はさらに、図示しない第１の検出装置を磁束密度Ｂの検出のために有し、その値も同様にマイクロプロセッサ２０２に供給される。装置はさらに、図示しない第２の検出装置をトランスの二次回路の負荷電流を検出するために有し、その値も同様にマイクロプロセッサ２０２に供給される。すでに述べたように、検出装置は例えば測定装置または計算ユニットとして構成することができる。
さらにマイクロプロセッサ２０２は、検出された磁束密度Ｂを２つの所定の磁束密度値Ｂｍおよび−Ｂｍと比較するために第１の比較装置を有し（図３参照）、検出された負荷電流ｉｂｒを２つの所定の負荷電流閾値ｉｂｒ−ｚｇおよびｉｂｒ−ｓｐと比較するために第２の比較装置を有する（図３参照）。磁束密度の閾値Ｂｍと−Ｂｍ、および負荷電流の閾値ｉｂｒ−ｚｇとｉｂｒ−ｓｐは、マイクロプロセッサ２０２に従来のプログラミング法により書き込むことができる。これは当業者には周知である。典型的な点溶接装置で、Ｂｍは約１．５Ｔ、ｉｂｒ−ｚｇは約１３ｋＡ、ｉｂｒ−ｓｐは約１２ｋＡである。２つの電流閾値の選択によって、負荷電流の発振特性を調整することができる。

スイッチＳ１からＳ４は、電圧ＵＤＣ、−ＵＤＣおよび０Ｖを印加するためにマイクロプロセッサ２０２によって比較に基づき、図３の例で説明するように制御される。

図３には、第１の線図３００と第２の線図４００が示されている。これらの図には、一次巻線の電圧ｕがｙ軸３０１に、トランスコアの磁束密度Ｂがｙ軸３０２に、そして二次回路の負荷電流ｉｂｒがｙ軸３０３に、ｘ軸３０４の時間ｔに対してそれぞれプロットされている。

トランスないし溶接装置の駆動は時点ｔ０で開始する。この時点で、トランスの一次巻線に電圧ＵＤＣが印加される。その結果、トランスコアの磁束密度Ｂは実質的に線形に上昇し、時点ｔ１で上側磁束密度閾値Ｂｍに達する。本発明の前記実施例によれば制御装置のスイッチ手段は、今度は電圧−ＵＤＣがトランスの一次巻線に印加されるように制御される。この制御過程を以下簡単に、「電圧印加」として説明する。トランスコアの磁束密度はさらなる時間経過で再び低下し、最終的に時点ｔ２で下側磁束密度−Ｂｍに達する。

次に再び電圧ＵＤＣが印加され、これにより磁束密度が上昇する。この過程は時点ｔ４まで繰り返される。

線図４００には、負荷電流ｉｂｒの時間経過が示されている。負荷電流ｉｂｒも前記の時点ｔ４まで上昇することが分かる。時点ｔ４で負荷電流ｉｂｒは上側負荷電流閾値ｉｂｒ−ｚｇに達する。その結果、電圧が一次巻線に印加されなくなり、これにより負荷電流ｉｂｒが降下し、磁束密度Ｂは一定に留まる。時点ｔ５で降下する負荷電流ｉｂｒは下側負荷電流閾値ｉｂｒ−ｓｐに達する。これに基づき、電圧の遮断前に印加されたのと同じ電圧が印加される。

続いて、負荷電流ｉｂｒは再び上昇し、磁束密度ｂは一定は下側磁束密度閾値−Ｂｍに接近し、時点ｔ６でこれに達する。

すでに説明したように続いて電圧ＵＤＣが印加され、これにより磁束密度Ｂは再び上側磁束密度閾値Ｂｍの方向に変化する。

時点ｔ７で負荷電流ｉｂｒは再び上側負荷電流閾値ｉｂｒ−ｚｇに達する。これにより印加される電圧は遮断され、負荷電流ｉｂｒは時点ｔ８で再び閾値ｉｂｒ−ｓｐに達する。

続いて再び、時点ｔ７での電圧遮断前に印加された電圧ＵＤＣが印加され、これにより負荷電流ｉｂｒと磁束密度Ｂは再び上昇する。

前記の方法は、トランスないしは溶接装置の駆動が所望される限り繰り返される。

本発明により簡単に、１つの直流電圧を印加、反転、および遮断することだけにより、トランスを実質的に飽和作用も電流ピークもなしで駆動することができる。

もちろん、図面の各図には本発明のとくに有利な実施形態のみが示されていることを理解すべきである。とりわけ他の閾値を設けること、回路の変更、または構成部材の他の構成および数による別の実施形態も本発明を逸脱することなしに可能である。

１００ 中間周波溶接装置
１１０ 一次回路
１２０ 二次回路
１３０ トランス
１３１ トランスコア
１３２ 一次巻線
１３３ 二次巻線
１４０ 出力領域
２００ 装置
２０１ 直流電圧源
２０２ マイクロプロセッサ
３００ 線図
３０１ ｙ軸
３０２ ｙ軸
３０３ ｙ軸
３０４ ｘ軸
４００ 線図
Ｂ 磁束密度
Ｂｍ 上側磁束密度閾値
−Ｂｍ 下側磁束密度閾値
Ｄ ダイオード
ｉｂｒ 負荷電流
ｉｂｒ−ｚｇ 上側負荷電流閾値
ｉｂｒ−ｓｐ 下側負荷電流閾値
Ｌ コイル
Ｎ 巻数
Ｒ 抵抗
Ｓ１〜Ｓ４ トランスタ
ｕ 一次巻線の電圧

Claims (10)

1. 一次巻線（１３２）と、二次回路（１２０）に接続された二次巻線（１３３）とを備えるトランスコア（１３１）を有するトランス（１３０）の駆動方法であって、
   ・前記トランスコア（１３１）内の磁束密度（Ｂ）を検出するステップと、
   ・前記二次回路（１２０）の負荷電流（ｉｂｒ）を検出するステップと、
   ・前記検出された磁束密度（Ｂ）を少なくとも１つの磁束密度閾値（Ｂｍ、−Ｂｍ）と比較するステップと、
   ・前記検出された負荷電流（ｉｂｒ）を少なくとも１つの負荷電流閾値（ｉｂｒ−ｚｇ、ｉｂｒ−ｓｐ）と比較するステップと、
   ・前記比較に基づいてスイッチ手段（Ｓ１〜Ｓ４）を制御するステップとを有し、
   前記スイッチ手段（Ｓ１〜Ｓ４）は、電圧源（ｕ）に対する第１の端子と、前記トランス（１３０）の一次巻線（１３２）に対する第２の端子とを有し、
   第１の電圧（ＵＤＣ）、第２の電圧（−ＵＤＣ）、第３の電圧（０Ｖ）または第４の電圧（ＵＤＣ、−ＵＤＣ）が前記トランス（１３０）の一次巻線（１３２）に印加され、
   ・前記トランスコア（１３１）内の磁束密度（Ｂ）を、上側磁束密度閾値（Ｂｍ）と下側磁束密度閾値（−Ｂｍ）との間で前記スイッチ手段により制御するステップと、
   ・前記二次回路（１２０）の負荷電流（ｉｂｒ）を、上側負荷電流閾値（ｉｂｒ−ｚｇ）と下側負荷電流閾値（ｉｂｒ−ｓｐ）との間で前記スイッチ手段により制御するステップと、
   を有する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   トランスコア（１３１）の磁束密度（Ｂ）を、前記上側磁束密度閾値（Ｂｍ）と下側磁束密度閾値（−Ｂｍ）との間で前記スイッチ手段により制御することは、前記第１の電圧（ＵＤＣ）と前記第２の電圧（−ＵＤＣ）を前記トランス（１３０）の一次巻線（１３２）に交互に印加することによって行われる、ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   前記二次回路（１２０）の負荷電流（ｉｂｒ）を、前記上側負荷電流閾値（ｉｂｒ−ｚｇ）と下側負荷電流閾値（ｉｂｒ−ｓｐ）との間で前記スイッチ手段により制御することは、前記第３の電圧（０Ｖ）と前記第４の電圧（ＵＤＣ、−ＵＤＣ）を前記トランス（１３０）の一次巻線（１３２）に交互に印加することによって行われる、ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項記載の方法において、
   前記第１の電圧（ＵＤＣ）と前記第２の電圧（−ＵＤＣ）は絶対値が等しく、極性が反対の直流電圧であり、
   前記第３の電圧（０Ｖ）はゼロ電圧であり、前記第４の電圧（ＵＤＣ、−ＵＤＣ）は第１（ＵＤＣ）または第２の電圧（−ＵＤＣ）である、ことを特徴とする方法。
5. 一次巻線（１３２）と、二次回路（１２０）に接続された二次巻線（１３３）とを備えるトランスコア（１３１）を有するトランス（１３０）の駆動装置であって、
   前記トランスコア（１３１）内の磁束密度（Ｂ）を検出する第１の検出装置と、
   前記二次回路（１２０）の負荷電流（ｉｂｒ）を検出する第２の検出装置と、
   検出された磁束密度（Ｂ）を少なくとも１つの磁束密度閾値（Ｂｍ、−Ｂｍ）と比較する第１の比較装置（２０２）と、
   検出された負荷電流（ｉｂｒ）を少なくとも１つの負荷電流閾値（ｉｂｒ−ｚｇ、ｉｂｒ−ｓｐ）と比較する第２の比較装置（２０２）と、
   前記比較に基づいてスイッチ手段（Ｓ１〜Ｓ４）を制御する制御装置（２０２）とを有し、
   前記スイッチ手段は、電圧源（ｕ）に対する第１の端子と、前記トランス（１３０）の一次巻線（１３２）に対する第２の端子とを有し、
   第１の電圧（ＵＤＣ）、第２の電圧（−ＵＤＣ）、第３の電圧（０Ｖ）または第４の電圧（ＵＤＣ、−ＵＤＣ）が前記トランス（１３０）の一次巻線（１３２）に印加される、ことを特徴とする駆動装置。
6. 請求項５記載の装置において、
   当該装置は前記スイッチ手段（Ｓ１〜Ｓ４）および／または電圧源（ｕ）を含む、ことを特徴とする装置。
7. 請求項５または６記載の装置において、
   前記第１の電圧（ＵＤＣ）と前記第２の電圧（−ＵＤＣ）は絶対値が等しく、極性が反対の直流電圧であり、
   前記第３の電圧（０Ｖ）はゼロ電圧であり、前記第４の電圧（ＵＤＣ、−ＵＤＣ）は第１（ＵＤＣ）または第２の電圧（−ＵＤＣ）である、ことを特徴とする装置。
8. 請求項７記載の装置において、
   前記第１の直流電圧（ＵＤＣ）を供給する直流電圧源が前記スイッチ手段（Ｓ１〜Ｓ４）と接続されており、
   前記スイッチ手段（Ｓ１〜Ｓ４）は、第１の電圧（ＵＤＣ）、第２の電圧（−ＵＤＣ）、または第３の電圧（０Ｖ）を前記一次巻線に印加するように構成されている、ことを特徴とする装置。
9. プログラムコード手段を有するコンピュータプログラムであって、
   該コンピュータプログラムは、コンピュータまたは相応の計算ユニットである制御装置に、請求項１から４までのいずれか一項記載の方法のステップを実行させるための、コンピュータプログラム。
10. プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラムであって、
    前記プログラムコード手段はコンピュータにより読み取り可能なデータ担体に記憶されており、
    前記コンピュータプログラムは、コンピュータまたは相応の計算ユニットである制御装置に、請求項１から４までのいずれか一項記載の方法のステップを実行させるための、コンピュータプログラム。

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